La chimica al centro della Terra

L'anidride carbonica, all'interno del nostro pianeta, si mantiene stabile a pressioni e a temperature elevatissime. La scoperta realizzata da un team di ricercatori fiorentini sulla rivista Nature Communications riscrive le nostre conoscenze su ciò che avviene tra il mantello e il nucleo.
Un ricercatore alle prese con lo spettrometro Raman con cui e' stato caratterizzato il campione

Riguarda l’anidride carbonica la scoperta che può contribuire a ridefinire cosa sappiamo di cosa succede all’interno della Terra. La molecola di CO2, a temperature e a pressioni molto alte, in prossimità del nucleo terrestre, si trasforma in un cristallo molto simile ai composti del silicio, mantenendosi chimicamente stabile. Questo contrasta con l’ipotesi considerata finora più attendibile dalla comunità scientifica, in cui l’anidride carbonica si scinda in diamante (carbonio) e ossigeno, in corrispondenza degli strati terrestri più interni.

La cella ad incudine di diamante utilizzata per generare le alte pressioni sul campione (100 GPa corrispondono a circa un milione di atmosfere) ed il sistema laser utilizzato per scaldare il campione (2500 K ovvero circa 2200 celsius).

Le nuove acquisizioni sono il risultato di un esperimento condotto da un gruppo di studiosi, del Lens (Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare) coordinati da Roberto Bini, docente di Chimica fisica dell’Ateneo fiorentino, e promosso dal giovane ricercatore fiorentino Kamil Dziubek. L’esperimento, condotto in collaborazione con l’Università di Vienna, è stato realizzato in parte presso l’installazione europea di luce di sincrotrone di Grenoble (ESRF). I risultati sono stati illustrati in un articolo pubblicato da Nature Communications dal titolo “Crystalline Polymeric Carbon Dioxide at Megabar pressures” (DOI: 10.1038/s41467-018-05593).

Gli scienziati sono stati in grado di sintetizzare questa forma cristallina estesa di anidride carbonica a pressioni tra i 100 e i 120 GPa (Gigapascal) e a temperature di 2.500 K (Kelvin), riproducendo condizioni tipiche della parte inferiore del mantello terrestre, dimostrando la stabilità in queste condizioni della CO2. Gli esperimenti condotti finora suggerivano invece che queste strutture si trasformassero già a pressioni di 50-60 GPa e a temperature di 1600-1800 K in diamante (carbonio) e ossigeno.

L’immagine rappresenta la variazione di pressione e temperatura all’interno della Terra e le condizioni in cui è stato effettuato l’esperimento (linea gialla con indicato profondita’ pressione e temperatura)

“Questi risultati – spiega Roberto Bini – sono di estrema importanza in quanto la possibile dissociazione di anidride carbonica era stata ipotizzata per spiegare la formazione di diamante a profondità molto maggiori del consueto, una maggiore fugacità dell’ossigeno e quindi un suo possibile ruolo nella formazione di ossidi di ferro superdensi e di anomalie di conducibilità dovute allo stato di ossidazione dei minerali nel mantello inferiore. Al contrario, la stabilità di questa forma estesa dimostra come questo materiale rappresenti un’importante fonte di carbonio nell’interfaccia tra il mantello ed il nucleo terrestre”.

La prossima sfida per il gruppo di ricerca sarà quella di comprendere a quali condizioni avviene la fusione di questa forma estesa di CO2.

L’anidride carbonica riveste un ruolo fondamentale nella vita degli esseri viventi e nella struttura e la dinamica del nostro pianeta. Imputato principale dell’effetto serra come gas atmosferico, svolge una funzione di primo piano, e non ancora del tutto chiarita, nel ciclo del carbonio. Mentre una grossa quantità raggiunge l’interno della Terra per via dello scorrimento delle placche una sotto l’altra (la subduzione), solo una parte relativamente bassa viene restituita all’atmosfera sotto forma di emissioni vulcaniche.

Il ruolo dell’anidride carbonica nei processi chimici che avvengono all’interno della Terra è perciò di particolare rilievo. La tipologia e le caratteristiche dei composti e delle rocce che si sono formate risultano basilari per capire la natura, la quantità ed il ruolo del carbonio man mano che si procede verso l’interno della Terra.


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